賓勝林 趙偉

摘 要：地鐵正線及豎井橫通道交叉工程下穿有軌電車(chē)路基屬于重要風(fēng)險(xiǎn)源，其空間位置關(guān)系復(fù)雜，區(qū)間、橫通道施工均會(huì)對(duì)有軌電車(chē)路基產(chǎn)生影響，且影響時(shí)機(jī)及程度很難判定。為此，基于數(shù)值分析方法對(duì)交叉工程下穿有軌電車(chē)路基施工全過(guò)程進(jìn)行模擬，評(píng)價(jià)交叉工程建設(shè)過(guò)程中及建成后對(duì)既有有軌電車(chē)路基的影響情況。計(jì)算結(jié)果表明，下穿段落橫通道采用四臺(tái)階法、雙排小導(dǎo)管超前加固，區(qū)間采用上下臺(tái)階法、單排小導(dǎo)管超前加固，能有效控制有軌電車(chē)路基沉降并保證有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)安全；橫通道垂直下穿階段對(duì)有軌電車(chē)路基沉降影響最大，占總沉降的46.6%；路基傾斜（不均勻沉降）最大值發(fā)生在區(qū)間3開(kāi)挖完成、區(qū)間4未開(kāi)挖階段，需加強(qiáng)此時(shí)段路基監(jiān)控量測(cè)。加強(qiáng)超前支護(hù)、合理選擇施工工法是控制路基沉降的有效手段。

關(guān)鍵詞：隧道工程；地鐵；豎井橫通道；施工過(guò)程；數(shù)值模擬；影響分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U452 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-1534（2018）05-0322-07

1 工程背景

近年來(lái)，隨著中國(guó)公共交通的大力發(fā)展，地鐵項(xiàng)目工程逐年增多，新建和既有工程結(jié)構(gòu)之間的相互影響隨之而來(lái)[1-3]。特別是復(fù)雜交叉工程下穿既有建（構(gòu)）筑物的情況[4-6]，既有工程結(jié)構(gòu)的沉降[7-8]及新建工程結(jié)構(gòu)的變形控制[9-10]尤為重要。目前，針對(duì)地表沉降，常見(jiàn)的分析方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、理論解析法、模型試驗(yàn)法及數(shù)值分析法[11-12]。楊慶剛等[13]應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件建立分析模型，分析了超淺埋隧道下穿鐵路引起變形敏感度的情況。王小林等[14]通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法分析新建隧道下穿施工對(duì)既有鐵路的影響。茍德明等[15]分析了暗挖隧道施工對(duì)高速路基沉降的影響。韓煊等[16]研究了Peck公式在中國(guó)隧道施工地面變形預(yù)測(cè)中的適用性。

筆者結(jié)合沈陽(yáng)地鐵9號(hào)線工程奧體中心站—奧體東站區(qū)間下穿既有2號(hào)線有軌電車(chē)工程，基于數(shù)值分析得出的相關(guān)結(jié)論，識(shí)別地鐵施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，提出保證地鐵施工、既有有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)安全的建議。

2 數(shù)值分析模型

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

2.1.1 計(jì)算分析模型

奧體中心站—奧體東站區(qū)間西起奧體中心站，向東下穿既有2號(hào)線奧體中心站后，沿渾南四路東沿，至奧體東站，在奧體東站前設(shè)置單渡線。該區(qū)間左線長(zhǎng)度為1 130.951 m，右線長(zhǎng)度為1 120.266 m，全部采用礦山法施工。區(qū)間覆土厚度7.2～18.3 m。區(qū)間及其1號(hào)豎井橫通道下穿既有2號(hào)線有軌電車(chē)，為該區(qū)間重要風(fēng)險(xiǎn)源。

既有有軌電車(chē)路基沉降主要受2方面影響：一是橫通道開(kāi)挖，二是橫通道初襯開(kāi)洞后臨近區(qū)間隧道正線開(kāi)挖。本文主要對(duì)橫通道下穿有軌電車(chē)位置以及區(qū)間隧道下穿有軌電車(chē)位置沉降情況作具體分析，因此模型需要同時(shí)考慮橫通道開(kāi)挖以及與橫通道連接區(qū)區(qū)間正線隧道的開(kāi)挖。豎井橫通道長(zhǎng)約28 m，橫通道兩側(cè)區(qū)間隧道分別考慮30 m長(zhǎng)度?？紤]邊界效應(yīng)影響，計(jì)算模型沿橫通道方向取50 m，垂直橫通道方向取60 m。隧道上方地表按實(shí)測(cè)地面數(shù)據(jù)建模，隧道下方取橫通道底部以下13 m。本工程地下水位較深，地層因降水引起的有效應(yīng)力較小，土體排水固結(jié)引起的差異沉降較小，因此不考慮地下水對(duì)沉降的影響。

2.1.2 計(jì)算結(jié)構(gòu)模型

計(jì)算軟件采用MIDAS-GTS NX，建立地層結(jié)構(gòu)模型，地層采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，相應(yīng)的圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，有限元模型及土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1。本模型首先采用四臺(tái)階法完成橫通道開(kāi)挖，然后采用上下臺(tái)階法按順序依次完成4個(gè)區(qū)間隧道開(kāi)挖，為保證區(qū)間隧道掌子面距離，每條區(qū)間隧道完成后，開(kāi)始下一條區(qū)間隧道開(kāi)挖。

地層初始應(yīng)力為自重應(yīng)力。由于計(jì)算模型中橫通道、區(qū)間隧道以及加固圈等相交位置較為復(fù)雜，因此劃分土體為四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。導(dǎo)管超前注漿加固采用增強(qiáng)加固圈范圍內(nèi)土體參數(shù)的方式。在施工步中更改單元屬性，模擬加固圈形成步驟；初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)采用板單元模擬；最終建立的模型共有185 971個(gè)單元。

2.1.3 計(jì)算模型參數(shù)

1）地層參數(shù)

根據(jù)鉆探結(jié)果，按照其沉積年代、成因類(lèi)型及巖性，此范圍內(nèi)自上而下的地層為粉質(zhì)黏土③121、粗砂③72、礫砂③83、圓礫③93、礫砂④84、圓礫④94，沿線地層分布較均勻。穿越有軌電車(chē)的橫通道和區(qū)間隧道主要位于④94圓礫層及④84礫砂層。為保證隧道中的施工安全，隧道拱部采用1.8 m長(zhǎng)Φ32超前小導(dǎo)管超前加固措施，以降低橫通道及區(qū)間隧道開(kāi)挖對(duì)有軌電車(chē)路基的影響。小導(dǎo)管注漿參數(shù)按照施工單位提供的沈陽(yáng)地區(qū)相似地層的試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2）設(shè)計(jì)參數(shù)

豎井橫通道垂直下穿既有有軌電車(chē)路基，拱頂與有軌電車(chē)路基凈距14.1 m；區(qū)間隧道拱頂與有軌電車(chē)路基凈距16.1 m；區(qū)間隧道左線中線距輕軌路基中線10.6 m，右線中線距輕軌路基中線6.4 m；豎井與輕軌路基凈距10.1 m。 豎井、橫通道、區(qū)間隧道與有軌電車(chē)相對(duì)位置如圖2所示。

豎井初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚度300 mm，鋼格柵間距0.5 m；橫通道初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚度300 mm，二襯釆用C40鋼筋混凝土，厚度400 mm，橫通道穿越有軌電車(chē)段及前后5 m范圍采用雙排小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，其他位置采用單層小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)。區(qū)間隧道初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚度250 mm，格柵為0.5 m，隧道二襯釆用C40鋼筋混凝土，厚度300 mm，區(qū)間隧道采用單層小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，具體支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。

2.2 施工工序及模擬

有軌電車(chē)路基先期施工完成，按照既有結(jié)構(gòu)考慮。1號(hào)豎井橫通道施工工序（見(jiàn)圖3，圖中序號(hào)為開(kāi)挖順序編號(hào)，下同）：超前小導(dǎo)管注漿加固；四臺(tái)階法開(kāi)挖土體，開(kāi)挖進(jìn)尺為0.5 m，控制各臺(tái)階開(kāi)挖面距離為6 m，中間增設(shè)水平支撐。區(qū)間隧道施工工序（見(jiàn)圖4）：拆除橫通道影響范圍內(nèi)的水平支撐及橫通道初支；進(jìn)行區(qū)間隧道拱頂超前小導(dǎo)管注漿加固；上下臺(tái)階法開(kāi)挖土體，開(kāi)挖進(jìn)尺為0.5 m，開(kāi)挖面拉開(kāi)至10 m，完成一條區(qū)間隧道后開(kāi)始開(kāi)挖下一條區(qū)間隧道。關(guān)鍵施工步驟模擬如圖5、圖6所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

在計(jì)算得到橫通道以及臨近區(qū)間隧道變形及其施工引起的有軌電車(chē)路基沉降量的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)位移的分析，確定施工工法的正確性和結(jié)構(gòu)的安全性。

3.1 橫通道及臨近區(qū)間隧道安全性評(píng)價(jià)

橫通道及區(qū)間結(jié)構(gòu)變形云圖如圖7、圖8所示。

橫通道襯砌拱頂最大沉降量為0.91 mm，仰拱最大隆起為1.58 mm；區(qū)間隧道襯砌拱頂最大沉降量為0.77 mm，仰拱最大隆起為1.30 mm，均滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50911—2013）對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形要求，變形控制標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。結(jié)果表明，橫通道及區(qū)間隧道設(shè)計(jì)制定的支護(hù)襯砌參數(shù)基本合理，施工采取的工程措施得當(dāng)。

3.2 有軌電車(chē)路基安全性評(píng)價(jià)

整體模型及路基位移情況如圖9、圖10所示。

根據(jù)數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果，有軌電車(chē)路基沉降最大位置為有軌電車(chē)與橫通道垂直相交位置，豎井橫通道垂直下穿有軌電車(chē)后，有軌電車(chē)路基最大沉降量為3.06 mm；區(qū)間隧道1開(kāi)挖完成后，有軌電車(chē)路基最大沉降量為3.91 mm；區(qū)間隧道2開(kāi)挖完成后，有軌電車(chē)路基最大沉降量為4.69 mm；區(qū)間隧道3開(kāi)挖完成后，有軌電車(chē)路基最大沉降量為5.76 mm；區(qū)間隧道4開(kāi)挖完成后，有軌電車(chē)路基最大沉降量為6.56 mm。結(jié)果表明，橫通道垂直下穿階段對(duì)有軌電車(chē)路基沉降的影響最大，占總沉降的46.6%，其余區(qū)間隧道開(kāi)挖對(duì)有軌電車(chē)與橫通道垂直相交位置地表沉降影響在1 mm左右。新建交叉工程引起有軌電車(chē)?yán)塾?jì)最大沉降量為6.56 mm。本項(xiàng)目輕軌道床為整體道床，滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50911—2013）對(duì)既有鐵路路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，沉降控制標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。根據(jù)產(chǎn)權(quán)單位下發(fā)的渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車(chē)2號(hào)線聯(lián)系單相關(guān)要求，既有電車(chē)軌道沉降值按10 mm控制，計(jì)算結(jié)果滿足要求。結(jié)果表明，下穿段落橫通道采用四臺(tái)階開(kāi)挖、雙排小導(dǎo)管超前加固，區(qū)間采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖、單排小導(dǎo)管超前加固，既有有軌電車(chē)路基受交叉工程施工的影響可控。

3.3 橫通道及臨近區(qū)間施工對(duì)有軌電車(chē)的影響過(guò)程分析

為了全面分析既有有軌電車(chē)路基的沉降情況，提取5個(gè)路基沉降敏感點(diǎn)作為控制點(diǎn)。通過(guò)對(duì)計(jì)算模型開(kāi)挖過(guò)程結(jié)果進(jìn)行提取，繪制橫通道下穿有軌電車(chē)路基中心位置①及路基邊界位置②，區(qū)間隧道4下穿有軌電車(chē)路基中心位置③，區(qū)間隧道2與區(qū)間隧道3中間距離橫通道5 m位置④及15 m位置⑤沉降隨施工步變化的時(shí)程曲線。各控制點(diǎn)位置見(jiàn)圖11。

通過(guò)分析可得到如下結(jié)論。

1）各控制點(diǎn)沉降時(shí)程曲線見(jiàn)圖12—圖16。可見(jiàn)控制點(diǎn)①與控制點(diǎn)②沉降受橫通道開(kāi)挖影響較大，橫通道施工引起的沉降百分比（該段施工引起的沉降量占沉降總量比例）分別為45.3%和45.1%；控制點(diǎn)③主要受橫通道開(kāi)挖及區(qū)間隧道4開(kāi)挖影響，其沉降百分比分別為29.6%和40.8%；控制點(diǎn)④受橫通道、區(qū)間隧道2及區(qū)間隧道3影響均較大，其沉降百分比分別為35.6%，20.3%和23.7%；控制點(diǎn)⑤受區(qū)間隧道2及區(qū)間隧道3影響較大，其沉降百分比分別為30.6%和38.8%。施工過(guò)程中可根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在施工不同階段合理加密地表監(jiān)測(cè)，對(duì)不同階段對(duì)應(yīng)的敏感控制點(diǎn)重點(diǎn)觀察，保證既有有軌電車(chē)路基運(yùn)營(yíng)安全。

2）采用控制點(diǎn)①與控制點(diǎn)②的沉降差計(jì)算有軌電車(chē)路基表面傾斜，得到施工過(guò)程中的軌道傾斜時(shí)程，見(jiàn)圖17?？梢?jiàn)有軌電車(chē)不均勻沉降最大值發(fā)生在區(qū)間3開(kāi)挖完成、區(qū)間4未開(kāi)挖時(shí)段，最大差異沉降量為0.006%，滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50911—2013）對(duì)既有鐵路路基差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)（路基差異沉降控制值宜小于0.04%）。

3）橫通道開(kāi)挖對(duì)其正上方及5 m范圍內(nèi)影響較大，沉降量達(dá)2 mm，在距離橫通道15 m位置沉降量不到1 mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可酌情加密橫通道兩側(cè)15 m范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4）各區(qū)間隧道開(kāi)挖對(duì)橫通道上方沉降影響不大，均在1 mm以內(nèi)，而對(duì)其自身上方影響較大，沉降量達(dá)1 mm。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值分析方法研究交叉工程下穿既有有軌電車(chē)路基，能夠在復(fù)雜的空間、施工工序條件下清晰地反映交叉工程下穿過(guò)程中各階段的沉降影響程度、影響范圍，準(zhǔn)確地判斷路基表面傾斜的不利時(shí)機(jī)，為合理制定監(jiān)控量測(cè)方案、既有有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)安全提供依據(jù)。筆者僅考慮了靜載作用下的影響分析，未考慮電車(chē)動(dòng)載耦合影響，有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)/References：

[1] 房明，劉鎮(zhèn)，周翠英，等.交叉隧道盾構(gòu)施工與鄰近不同位置建筑物的相互影響研究[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2011，50（1）： 64-69.

FANG Ming， LIU Zhen， ZHOU Cuiying， et al. Study on interaction between underground shield tunneling and adjacent structure in different distance [J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni， 2011， 50（1）： 64-69.

[2] 石舒.盾構(gòu)隧道下穿鐵路工程風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49（1）：138-142.

SHI Shu. Research of risks and countermeasures for shield-driven tunnel beneath existing railway [J]. Modern Tunnelling Technology， 2012， 49（1）： 138-142.

[3] 白明洲，許兆義，時(shí)靜，等. 復(fù)雜地質(zhì)條件下淺埋暗挖地鐵車(chē)站施工期地面沉降量FLAC3D分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，18（sup2）：4254-4260.

BAI Mingzhou， XU Zhaoyi， SHI Jing， et al. Analysis of ground settlement of a subway station undercut with shallow overburden during construction with FLAC3D under complex geological conditions [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2006， 18（sup2）： 4254-4260.

[4] 王萬(wàn)平，韓常領(lǐng)，李建斐. 超淺埋小間距隧道穿越既有公路變形規(guī)律模擬研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013， 50（2）：94-101.

WANG Wanping， HAN Changling， LI Jianfei. Simulation study on the deformation law of a shallow-buried tunnel with small spacing that passes under an existing highway [J]. Modern Tunnelling Technology， 2013， 50（2）： 94-101.

[5] 許江，顧義磊，康驥鳴. 隧道與地表構(gòu)筑物相互影響的研究[J].巖土力學(xué)，2005，26（6）：889-892.

XU Jiang， GU Yilei， KANG Jiming. Study on interaction of tunnel and upper structure [J]. Rock and Soil Mechanics， 2005， 26（6）： 889-892.

[6] 張陳蓉，俞劍，黃茂松.隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近非連續(xù)接口地埋管線的影響分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013，35（6）：1018-1026.

ZHANG Chenrong， YU Jian， HUANG Maosong. Responses of adjacent underground jointed pipelines induced by tunneling [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2013， 35（6）： 1018-1026.

[7] 王志，杜守繼，張文波，等. 淺埋鐵路隧道下穿高速公路施工沉降分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5（3）：531-535.

WANG Zhi， DU Shouji， ZHANG Wenbo， et al. Analysis of construction settlement of shallow railway tunnel under crossing the high-way [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2009， 5（3）： 531-535.

[8] 段晶晶. 沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線盾構(gòu)法開(kāi)挖地表沉降規(guī)律的研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)， 2006.

DUAN Jingjing. Study on the Settlement Law of Ground Surface due to Tunnel Construction with Sheild on Shenyang Metro Line 1 [D]. Fuxin： Liaoning Technical University， 2006.

[9] 唐思聰，高波，申玉生，等. 淺埋軟弱圍巖隧道基于變形穩(wěn)定性的施工方案研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013，50 （5）： 45-51.

TANG Sicong， GAO Bo， SHEN Yusheng， et al. Deformation and stability based study of the construction scheme for shallow-buried tunnels in weak surrounding rock [J]. Modern Tunnelling Technology， 2013， 50（5）： 45-51.

[10]楊友元. 高速鐵路隧道施工中監(jiān)控量測(cè)探析[J].河北工業(yè)科技，2009，26（4）：273-276.

YANG Youyuan. Study on monitoring of high-speed railway tunnel construction [J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology， 2009， 26（4）：273-276.

[11]賓勝林. 雙線鐵路隧道下穿國(guó)道路基數(shù)值力學(xué)分析[J].北方交通，2014（10）：106-109.

BIN Shenglin. Numerical mechanics analysis on double line railway tunnel under national highway subgrade [J]. Northern Communications， 2014（10）：106-109.

[12]朱正國(guó)，賈曉云，李文江，等. 暗渠下穿高速公路施工過(guò)程的數(shù)值模擬及工程應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2009，30（6）：1831-1836.

ZHU Zhengguo， JIA Xiaoyun， LI Wenjiang， et al. Numerical simulation and application of construction process of underdrain beneath expressway [J]. Rock and Soil Mechanic， 2009， 30（6）： 1831-1836.

[13]楊慶剛，孫明，倪小東，等. 超淺埋隧道下穿鐵路引起變形敏感度數(shù)值分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2017，54（3）：112-119.

YANG Qinggang， SUN Ming， NI Xiaodong， et al. Numerical analysis of the sensitivity of deformation caused by a super shallow-buried tunnel passing under an existing railway [J]. Modern Tunnelling Technology， 2017， 54 （3）： 112-119.

[14]王小林，李冀偉，劉硯鵬， 等. 新建隧道下穿施工對(duì)既有鐵路的影響研究[J].路基工程，2012（6）：106-109.

WANG Xiaolin，LI Jiwei，LIU Yanpeng， et al. Study on effect of underneath construction of new tunnel on existing railway [J]. Subgrade Engineering， 2012（6）：106-109.

[15]茍德明，龔爾民，陽(yáng)軍生，等. 高速公路路堤下暗挖隧洞施工引起的路基沉降實(shí)例分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010，47（1）：60-65.

GOU Deming， GONG Ermin， YANG Junsheng， et al. Analysis of roadbed settlements caused by the excavation of a tunnel under-passing expressway embankment [J]. Modern Tunnelling Technology， 2010， 47（1）： 60-65.

[16]韓煊，李寧，STANDIN J R Peck公式在我國(guó)隧道施工地面變形預(yù)測(cè)中的適用性分析[J].巖土力學(xué)，2007，28（1）：23-28.

HAN Xuan， LI Ning， STANDIN J R. An adaptability study of gaussian equation applied to predicting ground settlements induced by tunneling in China [J]. Rock and Soil Mechanics， 2007， 28（1）： 23-28.